传动系统振动
汽车动力传动系振动分析
[摘要 ]综述了车辆动力传动系振动的研究进展从振动的角度看 ,车辆动力传动系可分为弯曲振动系统和扭转振动系统目前主要采用试验模态分析和有限元等研究方法对动力传动系弯曲振动特性进行研究 ,建立了较为理想的弯曲振动分析模型在动力传动系扭转振动的研究方面 ,许多学者对此进行了有益探索研究 ,并取得了一定的进展但限于分析条件 ,车辆动力传动系弯曲、扭转振动耦合的研究尚不十分完善 ,尤其在国内 ,这一研究尚处于起步阶段因此 ,在动力传动系弯曲、扭转振动的研究已相对成熟的基础上 ,动力传动系的弯曲、扭转振动耦合对其振动特性影响的研究将是今后一段时间的主要研究内容
车辆是一个复杂的振动系统,它是由多个具有固有振动特性的子系统组成,作为子系统之一
的动力传动系,即包括动力总成、传动轴、驱动桥总成组成的系统是车辆振动和噪声的重要激励源从振动的角度看,车辆动力传动系可分为两个振动系统:弯曲振动系统和扭转振动系统车辆动力传动系的弯曲振动系统和扭转振动系统不仅有各自的固有振动特性,而且还存在一定程度的振动耦合这些不同形式的振动及其耦合,是影响车辆行驶平顺性,乘坐舒适性及动力传动系零部件使用寿命的主要原因之一,因此对车辆动力传动系的整体振动进行深入细致的研究,显得十分必要
1 动力传动系弯曲振动研究
车辆动力传动系弯曲振动在很大的频率段内对车辆振动和噪声有着重要影响,动力传动系低频段内的刚体振动直接影响车辆的乘坐舒适性,而较高频段内的弹性振动将会引起车辆的结构共振和声学共振近年来,随着对提高乘坐舒适性、减小汽车振动要求的提高,对动力传动系弯曲振动特性的进一步研究,已显得十分迫切,国内外对动力传动系弯曲振动的研究起步较早,在理论研究方面取得一定进展,试验研究也较为成熟建立由离散的集中质量、弹簧、阻尼器组成的力学模型是对动力传动系弯曲振动特性进行研究分析的一种行之有效的方法後藤进[1 ]建立了具有 1 1个自由度的动力传动系的弯曲振动力学模型,并通过试验验证,试验结果和计算结果取得较好一致文献[2 ]也建立了动力传动系弯曲振动多自由度力学模型,指出系统的弯曲振动是由发动机运动部件往复惯性力、传动轴的不平衡等引起的,并通过实验测定有关参数值,计算系统的固有频率、振型隋军[3、4]建立包括动力总成及传动轴的5个自由度的弯曲振动力学模型,计算系统的固有振动特性和响应,指出动力总成的弯曲振动是汽车飞轮壳损坏的主要原因这种建模方法及其实用性已为大量的计算和试验分析结果所证实,并且已总结出了确定模型集中质量、弹性和阻尼的一般原则,能有效地用于分析解决车辆动力传动系弯曲振动问题日臻完善的试验模态分析技术,在动力传动系弯曲振动特性的研究中得到广泛应用试验模态分析在动力传动系弯曲振动特性研究中的应用,经历了从单个总成发展到多个总成直至整个动力传动系的过程隋军[4]、张建文[5]对动力传动系动力总成进行了试验模态分析,认为动力总成的弯曲振动是造成汽车离合器壳开裂的主要原因余龄[6]利用试验模态分析技术测定了包括动力总成及传动轴的组合系统的一阶弯曲振动频率,张金换[7]则通过模态试验分析研究动力传动系传动轴的临界转速孙方宁[8, 9]、俄延华[1 0 ]在整车条件下,对动力传动系弯曲振动进行模态试验,得到整个动力传动系弯曲振动的模态参数高云凯[1 1 ]在台架及整车条件下,对汽车动力总成弯曲振动试验模态分析中的非线性特性进行研究,结果表明这一非线性特性仅存在于整车条件下的试验模态分析试验模态分析具有快速、简便地识别结构固有特性的特点,但其精度主要取决于试验者的经验和所使用的测试仪器、分析程序模态综合法是对动力传动系弯曲振动进行分析的有效方法,其基本思想是将动力传动系分为若干个子系统,在完成对各子系统的模态分析后,建立自由模态的综合方程,再利用平衡条件和约束条件将自由度简化,最后获得一个自由度大为缩减又保持了系统特性的运动方程,即组合系统方程孙方宁[8, 9]将一大型客车动力传动系划分为五个子系统,通过试验模态分析获得各子系统的模态参数,然后利用模态综合方法建立整个系统的理论分析模型,编制计算程序,对该大型客车动力传动系弯曲振动的固有振动特性进行计算,并在激振试验台上进行整个动力传动系弯曲振动的试验模态分析,结果表明理论计算和试验结果具有很好的一致性应用模态综合方法,只需获得动力传动系各子系统的模态参数,就可以通
过计算分析给出整个动力传动系的模态参数,而不必对整个动力传动系进行模态试验,但各子系统的模态参数还需通过计算或模态试验获得在车辆动力传动系弯曲振动的研究中,有限元方法也逐步引起人们的重视,应用有限元方法不仅可以获得较精确的力学模型和充分的分析信息,便于进一步进行结构优化设计分析,而且能在结构设计和改进设计阶段预估其振动特性,提出改进设计方案隋军[3、4]应用有限元方法建立了飞轮壳及离合器壳的有限元模型,计算了飞轮壳及离合器壳的等效螺旋弹簧刚度高云凯[1 2 , 1 3 ]建立了一种轻型客车动力传动系弯曲振动有限元模型,计算分析了其弯曲振动固有频率和固有振型,并进行动力总成弯曲振动固有频率对离合器壳厚度等结构参数的灵敏度分析,为结构修改提供了依据但由于车辆动力传动系的结构复杂,许多边界条件难以确定,目前有限元分析方法,还仅局限于动力传动系的各总成弯曲振动分析,建立整个动力传动系弯曲振动的有限元分析模型还较困难
2 动力传动系扭转振动研究
车辆动力传动系又是一个多自由度的扭转振动系统当来自发动机、路面以及由于车轮不平衡产生的周期性扭转激励的频率与动力传动系扭振系统的固有频率一致时,便会发生扭转共振,此时在动力传动系中的某些区段往往产生很大的共振载荷,甚至在齿轮副、花键副间出现敲击,从而影响车辆动力传动系零部件的工作可靠性和产生令人不适的噪声,同时还可能引起车身垂向和纵向振动,影响乘坐的舒适性因此,建立动力传动系扭转振动分析模型,揭示其扭振特性,寻求降低扭振影响措施,是车辆工程的重要研究课题之一动力传动系的扭振特性研究,目前仍以传统的理论计算分析为主,即根据简化前后系统的动能和势能保持不变的原则,将系统简化为由无弹性的惯性盘和无质量的弹性轴组成的当量系统,建立相应的力学模型和数学模型,测定系统各零部件的结构参数,计算扭转振动固有特性近年来,伴随测试技术和数据处理技术的迅速发展,动力传动系扭转振动的研究也取得明显进展[1 4-1 7] 所建模型由最初的3个自由度简单模型发展到现在的多个自由度的更接近实际系统的扭转振动分析模型,考虑的激励也由过去的单个确定性激励发展到现在的多个确定性激励和随机性激励进行车辆动力传动系扭振固有特性和强迫扭振计算,还必须确定系统振动分析模型中的各参数,而阻尼参数的确定一直是难以解决的问题,原因是目前对阻尼的机理尚未研究透彻,阻尼受许多因素的影响,而到目前为止没有一种公认可靠的方法,因此在确定阻尼时往往先作出某种假设来简化或综合阻尼在车辆动力传动系扭转振动阻尼的研究中,对发动机的粘性阻尼研究较多,并提出了以发动机结构参数来确定发动机各缸线性外阻尼的经验公式,然而动力传动系其他部件总成阻尼系数的确定更为困难,绝大多数的阻尼研究仅仅停留在理论探讨以及对模态坐标下阻尼比的识别,而物理坐标下的阻尼系数往往是根据经验数据来选取,这给动力传动系扭振固有特性和强迫扭振计算带来一定的局限性和不确定性目前车辆动力传动系扭转振动特性的理论计算分析方法已较为成熟,所建模型具有较高的精度,所采用的计算程序快捷高效,基本能够分析、解决车辆动力传动系的扭转振动问题,如果能在模型的阻尼系数等参数的确定方面有新的突破,该理论计算分析法将得到更为广泛的应用近年来,国内一些学者也在尝试将试验模态分析和模态综合技术应用于车辆动力传动系扭转振动的研究张准[1 8]、彭玉莺[1 9]探讨将试验模态分析用于轴的扭振特性研究,并对内燃机曲轴飞轮系统扭振进行复模态分析,建立了系统的模态模型,研究结果表明将试验模态分析用于轴的扭振特性研究是可行的,但由于试验模态分析所需的扭转振动激励的产生和响应信号的采集较困难,所以试验模态分析技术在轴的扭振特性研究中并未得到广泛应用车辆动力传动系各总成的联结形式十分复杂,其边界条件难以确定,故试验模态分析和模态综合技术在动力传动系扭转振动研究的运用,还没取得实质性的进展动力传动系扭振特性的试验研究,目前主要采用路试法和转鼓试验台法动力传动系扭振特性研究的路试法[1 4],是利用负荷拖车或使车辆在坡道上挂上某档缓慢加速到该档的最高车速,通过处理所记录的动力传动系特定轴段的扭矩信号,利用共振原理,来识别动力传动系在该档的扭转固有频率路试法虽可在真实使用条件下测定动力传动系的扭振特性,但如无负荷拖车,则因发动机负荷较小,激振力矩较弱,动力传动系的扭振响应微弱,不易分析出明显的共振工况动力传动系扭振特性研究的转鼓试验台法[2 0 ],是在转鼓试验台上做动力传动系扭振特性试验,由于加减负荷等试验条件容易控制,因此可方便地测定
不同档位、各种转速下对应不同强度的稳态响应,较为精确地识别出系统的固有频率转鼓试验台法的缺点是:当转鼓试验台的固有频率在动力传动系一阶固有频率附近时,会扩大低频区的激振频率范围,不利于研究车轮不平衡对动力传动系扭振的影响
3 动力传动系弯曲、扭转振动耦合研究
所谓车辆动力传动系弯曲、扭转振动耦合,是指其弯曲振动系的弯曲振动和扭转振动系的扭转振动之间的相互影响车辆动力传动系的弯曲振动和扭转振动不仅有各自的固有振动特性,而且存在振动耦合现象,随着动力传动系振动特性研究的进一步深入,动力传动系的弯曲、扭转振动耦合对其振动特性的影响,已开始为人所关注,成为又一个研究发展方向车辆动力传动系弯曲、扭转振动耦合机理是很复杂的後藤进[1 ]认为动力传动系弯曲振动系和扭转振动系在驱动桥主减速器处形成耦合,当主减速器主动齿轮将驱动扭矩传到从动齿轮上时,由于扭矩的反作用,主动齿轮在旋转的同时兼作上下方向的运动,使驱动桥围绕半轴作回旋振动,反之,当驱动桥由于外部激励产生回旋振动时,也同样会对动力传动系扭转振动施加扭转激励鲁统利[2 1 ]、楼黎明[2 2 ]认为由于路面激励等因素引起驱动桥垂向振动,使得驱动轮和路面间垂向作用力变化,地面对驱动轮的切向作用力也相应变化,从而通过驱动轮对扭转振动施加扭转激励力矩,因此,驱动桥等的垂向振动与动力传动系的扭转振动形成耦合对于车辆动力传动系这样一个复杂的振动系统,同时它又受发动机、路面激励等多种激励的影响,动力传动系弯曲、扭转振动存在各种不同形式的耦合,目前对于动力传动系弯曲、扭转振动耦合机理还有待进一步深入研究建立全面考虑弯曲、扭转振动及其相互间振动耦合的动力传动系振动综合分析模型,是掌握分析整个动力传动系振动特性的前提,目前有关动力传动系综合分析模型是采用理论建模方法建立的後藤进[1 ]等认为动力传动系弯曲、扭转振动在驱动桥主减速器处形成耦合,并在此基础上建立了包括具有1 1个自由度的弯曲振动系统和具有4个自由度的扭转振动系统的动力传动系振动综合模型计算该模型的固有频率、振型,并通过试验加以验证南孝则[2 3 ]、铃木康郎等人[2 4]也基于动力传动系弯曲、扭转振动在驱动桥主减速器处形成耦合的假设,建立了考虑弯曲、扭转振动及其相互间耦合的动力传动系振动的多自由度模型目前有关的动力传动系模型,都是基于弯曲、扭转振动在驱动桥主减速器处形成耦合的假设,且所考虑的外界激励不全面,建模方法单一,未能取得令人满意的精度
4 动力传动系振动研究的发展方向
综观车辆动力传动系振动的国内外研究概况可知:对动力传动系弯曲振动和扭转振动特性的研究已相对成熟,传统的理论计算、试验模态分析、模态综合方法和有限元法得到了综合应用,所建模型具有一定的精度,结合试验研究,能解决一些与动力传动系弯曲、扭转振动相关的实际问题动力传动系弯曲、扭转振动耦合的问题是很复杂的,目前在这方面的研究还不够深入,对弯曲、扭转振动耦合机理的了解也很不全面,所建立的考虑弯曲、扭转振动及其相互间振动耦合的动力传动系振动综合分析模型的精度不高,因此,对于动力传动系的弯曲、扭转振动耦合问题,在耦合机理和系统建模等方面尚待深入研究
综上所述,车辆动力传动系振动的研究,在今后一段时间内将主要集中在以下几个方面:(1 )动力传动系弯曲、扭转振动的研究已相对成熟,动力传动系振动特性的进一步研究,应注重动力传动系的弯曲、扭转振动耦合对其振动特性的影响(2 )在动力传动系振动的建模方面,应考虑将理论建模技术和试验建模技术相结合,提出更有效的新的建模方法(3 )深入探索动力传动系弯曲、扭转振动的耦合机理,建立高精度、高效率的考虑弯曲、扭转振动及其相互间振动耦合的模型,结合试验研究,完整地揭示动力传动系的固有模态特性、激励特性和响应特性(4)动力传动系作为车辆振动系统的一个子系统,在研究其振动特性时,也要考虑其它振动子系统(如车辆承载系统)对其振动特性的影响
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工程车辆传动系统扭转振动特性研究与分析
1工程车辆扭转振动动力学模型的建立 工程车辆传动系统一端通过离合器与发动机相连，输出端通过轮胎与工程车辆平动质量相连，组成了一个多质量的弹性扭转振动系统。在计算整个系统的固有频率和振型时，通常可忽略系统的阻尼，将整个传动系统看成是由多个刚性圆盘通过弹性轴连接的无阻尼振动系统。现在某型装备四缸柴油机的中型装载机传动系统为例，其扭转振动力学模型如图1-1所示。 1.1 当量转动惯量的计算 当量转动惯量J 是指将传动系统中与发动机曲轴不同转速旋转的零部件的转动惯量换算成与曲轴同转速旋转下的转动惯量，这种换算方法的原理是能量守恒。设传动轴的转动惯量为J,实际转速为ω曲轴转速为0ω，则将传动轴换算成曲轴转速0ω的当量转动惯量为 2 2 2 0212121??? ? ??=???? ??==g d d i J J J J J ω ωωω 式中，g i 为变速器的传动比。 1.2当量扭转刚度的计算 设两圆盘之间弹性轴的当量扭转刚度为d K ，则可以根据弹性变形量守恒的原理将系统中的时间扭转刚度K 换算过来。现以后桥半轴为例，相应的当量扭转刚度为 2 01??? ? ??=i i K K g d
式中，0i 为主减速器的传动比。 2传动系统扭转动力学方程 根据图1-1所示的简化的传动系统模型，可建立系统动力学方程组为 -0-)-)()(-----111010111111101010991010343332233232221122121111=+=+-=-+-=+=+）（）（（）（）（） （。。。。。。。。 。。 θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθK J K K J T K K J T K K J T K J (1) 方程组（1）中，111-θθ分别为对应质量的扭转角位移；41-T T 分别为发动机1-4缸的有效输出转矩。 为了简单起见，可以将（1）改为矩阵形式的动力学方程一般式，即 T K C J =++θθθ。 。。 式中，当量转动惯量矩阵??????? ? ????? ?? ?=111021 00J J J J J 阻尼矩阵C=[0]；刚度矩阵； 圆盘的角位移矩阵[]T 114321 0θθθθθθ =。 一般以发动机振动激励为系统输入矩阵，则 []T T T T T T 004 321 = 2.1扭转系统固有特性的分析 这里的固有特性是指固有频率和主振型，多自由度系统的固有频率和主振型可以根据系统的无阻尼自由振动方程得到，即 0=+θθK J 。。 （2） 假设方程的解为 t n i e ωθA = （3） 式中，A 为系统自由振动时的振幅列向量，[]T m m m m A A A A A 1132 1 =。
传动系统振动
汽车动力传动系振动分析 [ 摘要]综述了车辆动力传动系振动的研究进展从振动的角度看,车辆动力传动系可分为 弯曲振动系统和扭转振动系统目前主要采用试验模态分析和有限元等研究方法对动力传动系弯曲振动特性进行研究,建立了较为理想的弯曲振动分析模型在动力传动系扭转振动的 研究方面,许多学者对此进行了有益探索研究,并取得了一定的进展但限于分析条件,车辆 动力传动系弯曲、扭转振动耦合的研究尚不十分完善,尤其在国内,这一研究尚处于起步阶段因此,在动力传动系弯曲、扭转振动的研究已相对成熟的基础上,动力传动系的弯曲、扭 转振动耦合对其振动特性影响的研究将是今后一段时间的主要研究内容车辆是一个复杂的振动系统,它是由多个具有固有振动特性的子系统组成,作为子系统之一 的动力传动系,即包括动力总成、传动轴、驱动桥总成组成的系统是车辆振动和噪声的重要激励源从振动的角度看,车辆动力传动系可分为两个振动系统:弯曲振动系统和扭转振动系 统车辆动力传动系的弯曲振动系统和扭转振动系统不仅有各自的固有振动特性,而且还存 在一定程度的振动耦合这些不同形式的振动及其耦合,是影响车辆行驶平顺性,乘坐舒适性及动力传动系零部件使用寿命的主要原因之一,因此对车辆动力传动系的整体振动进行深入细致的研究,显得十分必要 1 动力传动系弯曲振动研究车辆动力传动系弯曲振动在很大的频率段内对车辆振动和噪声有着重要影响,动力传动系低频段内的刚体振动直接影响车辆的乘坐舒适性, 而较高频段内的弹性振动将会引起车辆 的结构共振和声学共振近年来,随着对提高乘坐舒适性、减小汽车振动要求的提高,对动力传动系弯曲振动特性的进一步研究,已显得十分迫切,国内外对动力传动系弯曲振动的研究 起步较早,在理论研究方面取得一定进展,试验研究也较为成熟建立由离散的集中质量、弹 簧、阻尼器组成的力学模型是对动力传动系弯曲振动特性进行研究分析的一种行之有效的方法後藤进[1 ]建立了具有1 1个自由度的动力传动系的弯曲振动力学模型,并通过试验验证 试验结果和计算结果取得较好一致文献[2 ]也建立了动力传动系弯曲振动多自由度力学模型,指出系统的弯曲振动是由发动机运动部件往复惯性力、传动轴的不平衡等引起的, 并通 过实验测定有关参数值,计算系统的固有频率、振型隋军[3、4]建立包括动力总成及传动轴的 5 个自由度的弯曲振动力学模型,计算系统的固有振动特性和响应, 指出动力总成的弯 曲振动是汽车飞轮壳损坏的主要原因这种建模方法及其实用性已为大量的计算和试验分析结果所证实,并且已总结出了确定模型集中质量、弹性和阻尼的一般原则,能有效地用于分析解决车辆动力传动系弯曲振动问题日臻完善的试验模态分析技术,在动力传动系弯曲振动特性的研究中得到广泛应用试验模态分析在动力传动系弯曲振动特性研究中的应用, 经历了从单个总成发展到多个总成直至整个动力传动系的过程隋军[4] 、张建文[5]对动力传动 系动力总成进行了试验模态分析,认为动力总成的弯曲振动是造成汽车离合器壳开裂的主 要原因余龄[6] 利用试验模态分析技术测定了包括动力总成及传动轴的组合系统的一阶弯曲振动频率,张金换[7]则通过模态试验分析研究动力传动系传动轴的临界转速孙方宁[8, 9] 、俄延华[1 0 ] 在整车条件下,对动力传动系弯曲振动进行模态试验,得到整个动力传动系弯曲 振动的模态参数高云凯[1 1 ] 在台架及整车条件下,对汽车动力总成弯曲振动试验模态分析中的非线性特性进行研究,结果表明这一非线性特性仅存在于整车条件下的试验模态分析 试验模态分析具有快速、简便地识别结构固有特性的特点,但其精度主要取决于试验者的经 验和所使用的测试仪器、分析程序模态综合法是对动力传动系弯曲振动进行分析的有效方法,其基本思想是将动力传动系分为若干个子系统,在完成对各子系统的模态分析后, 建立 自由模态的综合方程,再利用平衡条件和约束条件将自由度简化,最后获得一个自由度大为
含有故障的齿轮系统扭转振动分析
第22卷 第4期2007年12月 北京机械工业学院学报 Journa l of Be ijing Institute o fM ach i nery V o.l22N o.4 D ec.2007 文章编号:1008-1658(2007)04-0013-05 含有故障的齿轮系统扭转振动分析 朱艳芬1,陈恩利1,申永军1,王翠艳2 (1.石家庄铁道学院 机械工程分院,石家庄050043;2.石家庄铁道学院 工程训练中心,石家庄050043) 摘 要:建立了故障单自由度齿轮系统扭转振动的数学模型,采用加入脉冲的形式进行故障模拟,并利用数值方法进行对该模型进行仿真,进行定性研究。作出了系统模型的幅频响应曲线,与无故障时的曲线相比较,发现在低速时脉冲对系统的影响较大。另外,还对该模型进行了参数研究,分别比较了在不同阻尼比和不同激振力情况下的脉冲对系统幅频曲线的影响。 关 键 词:单自由度直齿轮系统;扭转振动;数值方法;幅频响应曲线;参数研究 中图分类号:TH113 文献标识码:A Analysis of torsional vibration of a spur gear system w ith faults ZHU Y an-fen1,C H E N Een-li1,SH E N Yong-jun1,WANG Cu-i yan2 (1.Schoo l ofM echan i calEng i neeri ng,Shiji az huang Rail w ay Ins tit u te,Sh iji az huang050043; 2.Eng i neeri ng Tra i n i ng C enter,Sh iji az hu ang Rail w ay I n stitute,Sh ijiazhuang050043) Abstract:The torsional v i b ration m odel o f the spur sing le-DOF gear syste m w it h fau lts is bu il,t and the for m o f the pulses is adop ted to si m u late the faults.Th i s m ode l is ca lculated by usi n g the num erica l m ethod.The response o f the m ode l is ana lyzed,and the Am p litude frequency Curves are p l o tted,and t h e greater fl u ence of the pu lse is found in the lo w frequency.The para m eters of the mode l are researched, and the Am plitude-frequency Curves under vari o us da m pi n g ratio and under vari o us exc iting-v ibration force are co m pared respectively. Key w ords:spur si n gle-DOF gear syste m;torsi o na l v ibration;num erica lm ethod;t h e Am plitude-fre-quency Curves;para m eters study 齿轮作为机械系统中的重要传动装置,在机械、化工、航天等行业的装备中起着非常关键的作用。为了满足航空、航天及机器人等技术发展的需要,采用传统的线性分析和控制理论已难以满足这一要求。由于零部件间的间隙、运动负重的摩擦及时变刚度等因素,实际的齿轮传动系统都是非线性系统,传统的线性分析和控制是对其进行的一种近似处理,只有对齿轮传动系统实施非线性分析和非线性控制才能获得精度高、振动小和噪声低等性能的齿轮传动系统。齿轮的工作状态正常与否对运动和动力的传输具有重要的影响[1]。因此,研究齿轮系统的动力学与故障诊断具有重要的理论价值和工程意义。 关于带故障的齿轮系统动力学建模及动力学分析则见于Parey的文章[2],其中的缺陷主要包括摩擦、磨损、点蚀和剥落等,介绍了带有故障的各种齿轮动力学模型等,另外,Kuang[3]等人建立了考虑齿面磨损的齿轮动力学方程,齿面磨损会影响啮合过程中的齿面轮廓,从而会影响到啮合刚度、阻尼力以及摩擦力等,这样将会使得系统的方程非常复杂。 本文从单自由度齿轮系统入手,经过模型简化,模拟了齿轮系统故障引起的刚度变化后的齿轮模型,并定性地分析了其动力学特性。 1故障单自由度齿轮系统理论模型 首先建立正常直齿轮副扭转振动的数学模型。扭转振动模型是仅考虑系统扭转振动的模型,在齿轮系统的振动分析中,若不考虑传动轴的横向和轴向弹性变形以及支承系统的弹性变形,则可将系统简化成纯扭转的振动系统,在实际工程中许多复杂 收稿日期:2007-09-04 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10602038) 作者简介:朱艳芬(1976-),女,河北藁城人,石家庄铁道学院机械工程分院硕士研究生,主要从事机械系统动力学控制等研究。
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究 【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。 【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施 在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。 1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介 凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。 船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。更应该注意的是，当发动机运转在主临界速度时，自由端的传动齿轮箱往往容易发生齿击或噪声大的现象，这时检查时会发现齿轮有点蚀或剥落等磨损现象，严重时会有断齿事故。有时在强共振的情况下，轴系中的某些位置只要数分钟运行就能自行发热，稍有疏忽，就可能造成断轴断桨的海损事故。 2 船舶柴油机因扭振而引起的断轴断桨的事故及分析 （1）广西海运局北海分局所属沿海货轮400吨桂海461、462、463，三条
汽车传动系统练习答案课案
汽车传动系统练习答案 一、填空题 1.离合器；变速器；万向传动装置；主减速器、差速器；半轴。 2.主动部分；从动部分；压紧机构；操纵机构。 3.自锁钢球；弹簧；特殊齿形；互锁钢球；互锁销；带有弹簧的倒档锁销。 4.两种；先挂前桥、后挂低速档；先摘低速档、后摘前桥。 5.万向节；传动轴；中间支承。 6.15°～20°。 7.主减速器；差速器；半轴；桥壳。 8.绕自身轴线转动；绕半轴轴线转动。 9.锥齿轮组成；锥齿轮；圆柱齿轮。 10.差速器壳；十字轴；行星齿轮；半轴齿轮；半轴。 11.全浮式半轴；半浮式半轴；半轴齿轮；驱动车轮。
12.主减速器；差速器；半轴；轮毂；钢板弹簧；整体式桥壳；分段式桥壳；整体式桥壳。 二、解释术语 1.汽车的车轮数×驱动轮数，第一个数字代表汽车的车轮数，后一个数代表驱动轮数，如EQ2080（原EQ240）E型汽车有6个车轮，而6个车轮都可以驱动，即表示为6×6。 2.发动机发出的转矩经过传动系传给驱动车轮，驱动车轮得到转矩便给地面一个向后的作用力，根据作用力与反作用力的原理，地面给驱动车轮一个向前的反作用力，这个反作用力就是驱动力。 3.传动比既是降速比又是增矩比。＝7.31表示汽车变速器一档的传动比，曲轴转7.31转，传动轴转1转；同时还表示，发动机发出的转矩经过变速器挂一档后传到传动轴时的转矩增大了7.31倍。 4.由于在分离轴承与分离杠杆内端之间存在一定量的间隙，驾驶员在踩下离合器踏板后，首先要消除这一间隙，然后才能开始分离离合器，为消除这一间隙所需的离合器踏板的行程，就是离合器踏板自由行程。 5.膜片弹簧是用薄钢板制成并带有锥度的碟形弹簧。靠中心部位开有辐条式径向槽形成弹性杠杆。使其在离合器分离时兼起分离杠杆的作用。
某船舶推进轴系扭振计算分析-不错的论文(精)
第22卷 第5期（总第131期）2011年10月 船舶 SHIP&BOAT Vol.22No.5October，2011 ［船舶轮机］ 某船舶推进轴系扭振计算分析 金立平 （吉林省地方海事局 ［关键词］船舶推进轴系；有限元；转动惯量；扭振［摘 要］提高轴系扭振计算精度，必须有精确的原始参数，以准确掌握船舶轴系扭振情况。在有限元分析软件 中，建立曲柄半拐等的三维模型，用有限元分析方法精确的确定了各质量、轴段的转动惯量、扭转刚度等精确原始参数。基于建立的实船轴系当量系统，计算出了各结自由振动的频率及对应的共振转速，自由端和飞轮输出端的振幅，分析了轴段应力和扭矩随曲轴转角及转速的变化关系。结果表明在整个转速范围内，扭转振幅小于限定值，轴段的最大扭矩和应力均小于材料许用值，本船舶轴系扭转振动状况是良好的。 ［中图分类号］U664.21 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2011）05-0046-04 长春130061）Torsionalvibrationcalculationandanalysisofashippropulsionshaft JINLi-ping （JiLinLocalMaritimeSafetyAdministration，Changchun130061） Keywords：marinepropulsionshafting；FEM；inertiamoment；torsionalvibration Abstract：Thepreciseoriginalparametersarecriticalforimprovingthecalculationaccuracyofshafttorsi onalvibration.Athree-dimensionalmodeofahalfcrankisestablishedinthefiniteelementanalysissoftwaretoaccurate lycalculatetheoriginalparameterssuchasthemomentofinertiaandtorsionalstiffnessofeachs haftsection.Basedontheestablishedrealshipshaftingequivalentsystem,thispapercalculatedt hefreevibrationfrequencyandthecorrespondingresonancespeed,aswellasthevibrationampl itudeofthefreeendandtheflywheeloutputend,analyzedtherelationshipofthestressandtorque ofshaftsandthecrankangleandenginespeed.Theresultsshowthatinthewholespeedrange,thet
传动系统振动
汽车动力传动系振动分析 [摘要 ]综述了车辆动力传动系振动的研究进展从振动的角度看 ,车辆动力传动系可分为弯曲振动系统和扭转振动系统目前主要采用试验模态分析和有限元等研究方法对动力传动系弯曲振动特性进行研究 ,建立了较为理想的弯曲振动分析模型在动力传动系扭转振动的研究方面 ,许多学者对此进行了有益探索研究 ,并取得了一定的进展但限于分析条件 ,车辆动力传动系弯曲、扭转振动耦合的研究尚不十分完善 ,尤其在国内 ,这一研究尚处于起步阶段因此 ,在动力传动系弯曲、扭转振动的研究已相对成熟的基础上 ,动力传动系的弯曲、扭转振动耦合对其振动特性影响的研究将是今后一段时间的主要研究内容 车辆是一个复杂的振动系统,它是由多个具有固有振动特性的子系统组成,作为子系统之一 的动力传动系,即包括动力总成、传动轴、驱动桥总成组成的系统是车辆振动和噪声的重要激励源从振动的角度看,车辆动力传动系可分为两个振动系统:弯曲振动系统和扭转振动系统车辆动力传动系的弯曲振动系统和扭转振动系统不仅有各自的固有振动特性,而且还存在一定程度的振动耦合这些不同形式的振动及其耦合,是影响车辆行驶平顺性,乘坐舒适性及动力传动系零部件使用寿命的主要原因之一,因此对车辆动力传动系的整体振动进行深入细致的研究,显得十分必要 1 动力传动系弯曲振动研究 车辆动力传动系弯曲振动在很大的频率段内对车辆振动和噪声有着重要影响,动力传动系低频段内的刚体振动直接影响车辆的乘坐舒适性,而较高频段内的弹性振动将会引起车辆的结构共振和声学共振近年来,随着对提高乘坐舒适性、减小汽车振动要求的提高,对动力传动系弯曲振动特性的进一步研究,已显得十分迫切,国内外对动力传动系弯曲振动的研究起步较早,在理论研究方面取得一定进展,试验研究也较为成熟建立由离散的集中质量、弹簧、阻尼器组成的力学模型是对动力传动系弯曲振动特性进行研究分析的一种行之有效的方法後藤进[1 ]建立了具有 1 1个自由度的动力传动系的弯曲振动力学模型,并通过试验验证,试验结果和计算结果取得较好一致文献[2 ]也建立了动力传动系弯曲振动多自由度力学模型,指出系统的弯曲振动是由发动机运动部件往复惯性力、传动轴的不平衡等引起的,并通过实验测定有关参数值,计算系统的固有频率、振型隋军[3、4]建立包括动力总成及传动轴的5个自由度的弯曲振动力学模型,计算系统的固有振动特性和响应,指出动力总成的弯曲振动是汽车飞轮壳损坏的主要原因这种建模方法及其实用性已为大量的计算和试验分析结果所证实,并且已总结出了确定模型集中质量、弹性和阻尼的一般原则,能有效地用于分析解决车辆动力传动系弯曲振动问题日臻完善的试验模态分析技术,在动力传动系弯曲振动特性的研究中得到广泛应用试验模态分析在动力传动系弯曲振动特性研究中的应用,经历了从单个总成发展到多个总成直至整个动力传动系的过程隋军[4]、张建文[5]对动力传动系动力总成进行了试验模态分析,认为动力总成的弯曲振动是造成汽车离合器壳开裂的主要原因余龄[6]利用试验模态分析技术测定了包括动力总成及传动轴的组合系统的一阶弯曲振动频率,张金换[7]则通过模态试验分析研究动力传动系传动轴的临界转速孙方宁[8, 9]、俄延华[1 0 ]在整车条件下,对动力传动系弯曲振动进行模态试验,得到整个动力传动系弯曲振动的模态参数高云凯[1 1 ]在台架及整车条件下,对汽车动力总成弯曲振动试验模态分析中的非线性特性进行研究,结果表明这一非线性特性仅存在于整车条件下的试验模态分析试验模态分析具有快速、简便地识别结构固有特性的特点,但其精度主要取决于试验者的经验和所使用的测试仪器、分析程序模态综合法是对动力传动系弯曲振动进行分析的有效方法,其基本思想是将动力传动系分为若干个子系统,在完成对各子系统的模态分析后,建立自由模态的综合方程,再利用平衡条件和约束条件将自由度简化,最后获得一个自由度大为缩减又保持了系统特性的运动方程,即组合系统方程孙方宁[8, 9]将一大型客车动力传动系划分为五个子系统,通过试验模态分析获得各子系统的模态参数,然后利用模态综合方法建立整个系统的理论分析模型,编制计算程序,对该大型客车动力传动系弯曲振动的固有振动特性进行计算,并在激振试验台上进行整个动力传动系弯曲振动的试验模态分析,结果表明理论计算和试验结果具有很好的一致性应用模态综合方法,只需获得动力传动系各子系统的模态参数,就可以通
轧机主传动系统扭振分析
冷连轧机主传动系统扭振分析 摘要：针对某新建的1420冷连轧机组，基于设计图纸建立了轧机主传动系统动力学模型。通过计算得到系统的固有频率和反共振频率、振型和Bode图，并进一步对系统的设计方案进行分析评价。结果表明，该冷连轧机主传动系统设计基本合理，部分设计参数还有优化的余地。 关键词：轧机主传动扭转振动固有频率 Torsional Vibration Analysis of the Tandem Cold Mill Main Drives WANG Zeji1，WANG Ruiting1，ZHANG Xiangjun2 (1 Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China 2 Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract：Focused on the newly-built 1420mm tandem cold mill group of some iron & steel corporation, the dynamic models of the main driving system are established basing on the basis of design drawing. The natural frequencies and anti-resonance frequencies, vibration modes and Bode diagrams of the system are gained by calculating. Subsequently, the analysis and judgement of the main driving system are carried out. The results show that the design of the main driving system is reasonable on the whole, but some design parameters need to be optimized. Key words：rolling mill；main drive；torsional vibration；natural frequency 1 概述 旋转体在旋转方向产生的振动称为扭转振动，它是转转机械中普遍存在的问题【1,2】。在 冷轧生产线上，随着高速、大功率电机在冷连轧机上的使用，接轴和齿轮轴等传动系统由于 扭转振动引起的事故随着增加。轧机主传动系统的事故主要与扭振有关，它往往会对钢板表 面的平直度、厚度公差产生影响。由于扭振引起的最大附加应力可以超过电机驱动力矩所产 生的工作应力的几倍。轧机主传动系统扭振会产生很高的交变应力，严重时会造成减速箱齿 轮断裂、地脚螺丝松动等设备事故，使生产不能顺利进行，或大大缩短轴系零部件的疲劳寿 命，具有极大的破坏性，给企业造成重大损失【2,3】。 目前国内的轧机主传动系统扭振分析工作往往是在现场出现问题后才开展的，扭振问题 无法从根本上解决。现代的轧机设计除了要进行强度、刚度等静力学设计外，还要进行动力 学设计。某公司1420冷轧工程是国家冶金装备自主集成重大创新项目，冷连轧机主传动系 统设计好坏直接关系到工程的成败。为了保证工程顺利建成投产，在设计阶段对轧机主传动 系统进行扭振分析显得尤为重要。 2 系统建模
06.车辆动力传动系统轴系扭振仿真及分析
车辆动力传动系统轴系扭振仿真及分析 Shaft Torsional Vibration Simulation and Analysis of Vehicle Power-train 杨守平张付军 (北京理工大学军用车辆动力系统技术国防重点学科实验室，北京 100081) 摘 要:扭振是车辆动力传动系统轴系失效的重要因素之一，开展轴系扭振动力学仿真研究，具有重要的现实意义。首先采用GT-CRANK软件建立某车辆动力传动系统2档、5档当量系统模型，并综合考虑燃气压力、往复惯性力和往复部件重力产生的激励力矩。从激励力矩的傅立叶变换可以看出，激励能量集中在6.5谐次以下。通过自由振动和强迫振动计算发现：装有高弹性联轴器的动力传动系统，可以将发动机曲轴系统与从动机构的扭振特性分开考虑，而不会对彼此产生影响；发动机曲轴系统的共振频率远远高于从动机构的共振频率。 关键词:动力传动系统；扭振；弹性联轴器；GT-CRANK Abstract：Torsional vibration is one of the most important malfunctional factors of vehicle power-train, and the investigation into it is of great significance. Firstly,a vehicle power-train system gear 2 and gear 5 equivalent dynamic models are built using the GT-CRANK software in this paper, with consideration of gas pressure, reciprocating inertia torque and torque caused by reciprocating components gravity synthetically. From Fourier Transform figures of excitation torque, energy concentrates below order 6.5. Finally，according to the simulation results of free vibration and forced vibration, the torsional vibration characteristics between the engine crankshaft system and driven components could be taken into account respectively with vehicle power-train installing high elastic coupling. The resonance frequency of the engine crankshaft is much high than that of driven component’s. Key words: power-train; torsional vibration; elastic coupling; GT-CRANK 1 引言 动力传动系统是车辆重要组成部分，通常由活塞式内燃机（汽油机、柴油机等）、变速装置（液力-机械变速装置或机械变速装置），转向装置等构成，其性能直接影响车辆的动力性和燃油经济性。轴系扭振性能是车辆动力传动系统重要的性能指标。 在车辆动力传动系统中，由于发动机燃气压力和惯性力矩呈周期性变化，这些力矩作用在发动机曲轴上形成激励力矩，这是产生扭振的外因。此外，轴系本身不但有惯性，而且具有弹性，这就决定了其固有的扭振特性，这是扭振的内因。车辆轴系扭振具有必然性、潜伏性、事故突发性的特
6-2MW齿轮箱传动系统扭振特性分析
第六章齿轮箱传动系统扭振特性分析 6.1 齿轮箱整机模态分析模型建立 扭振是关于齿轮箱传动系统激励频率对固有频率影响程度的计算，反映了系统是否存在谐振(共振)的危险程度，主要与系统各组成件的转动惯量和扭转刚度有关。因此需要齿轮箱进行模态分析，并计算齿轮箱传动链的扭转刚度和阻尼。本章根据Romax软件建立2MW风电齿轮箱系统分析模型，分析系统的整机模态特性。 在建立2MW风电齿轮箱整机模态分析模型时，轴与箱体之间按照实际设计图纸连接滚动轴承。 考虑到实际工作过程中，由行星架输入，内齿圈与箱体、箱盖通过螺栓紧密地连接在一起，不允许有任何相对运动，建模时通过编辑有限元节点连接将各箱体按照实际连接在一起，并在行星架的支撑臂上施加刚性约束。风电齿轮箱三维模型如图6.1.1所示。 (a) 箱体三维模型(b) 传动链模型(C) 整机模型 图6.1.1 2MW风电齿轮箱三维模型 6.2 模态分析结果 对整机进行模态分析，提取整机前20阶模态频率，表6.2.1给出了2MW风电齿轮箱前20阶模态的振动固有频率及对应各阶振型描述。 表6.2.1 整机模态分析结果
11 136.6 中间级空心轴、太阳轮轴沿Y轴正向摆动 12 167.4 中间级齿轮轴沿负X轴摆动 13 187.8 中间级齿轮轴、中间级空心轴沿Y向摆动 14 193.5 中间级齿轮轴、输出齿轮轴沿Z向扭转 15 196.5 中间级齿轮轴沿Y向扭转 16 207.9 中间级齿轮轴、输出齿轮轴沿X向摆动 17 218.7 输出齿轮轴沿负Y向摆动 18 231.4 输出齿轮轴沿负X向摆动 19 248.5 输出齿轮轴沿Y向扭转 20 274.6 输出齿轮轴沿负Y向摆动 各阶模态频率对应的齿轮箱振型图如图6.2.1-图6.2.20所示。图中坐标方向均与图6.1.1保持一致，为更好观察齿轮箱内部结构，部分图未显示齿轮箱箱体。 图6.2.1 1阶模态振型图6.2.2 2阶模态振型 图6.2.3 3阶模态振型图6.2.4 4阶模态振型
某4X4车动力传动系统扭振计算与试验
某4X4车动力传动系统扭振计算与试验 魏来生赵春霞张洪彦 （中国北方车辆研究所北京 100072） 摘要：为了寻找某四轮驱动特种车辆动力传动系统发生故障的原因，论文首先利用自主开发的车辆动力传动系统扭振分析软件TVSIM建立了扭振分析模型，完成了固有频率、固有振型的计算。然后采用LMS的扭振测试模块对该车动力传动系统的扭振进行了测试和分析。理论计算和试验结果均表明，该车动力传动系统基本不存在扭转共振问题。以此为指导，我们将解决措施聚焦在零件设计和加工方面，通过改进设计和严格控制加工质量等措施，彻底解决了动力传动系的故障，扭振计算和试验结果的正确性也在一定程度上同时得到了实际验证。 关键词：动力传动系统，扭振计算，扭振测试，轮式车 Computational and Experimental Torsional Vibration Analysis on Engine & Transmission System of wheeled 4X4 V ehicle Wei Laisheng Zhao Chunxia (China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072) Abstract: In searching for the measures to solve the failure problems of the engine & transmission system of a wheeled 4X4 vehicle, the torsional vibration computation of the system was done using the software TVSIM, and some tests were also made using the QTV-module of LMS. Both results show that there is basically no torsional resonant frequency existed in the range of vehicle’s running speed. Under this guidance, the correlative parts were redesigned and their machining process was controlled strictly. During the experiment with the new produced parts, the failure never occurred again. The correctness of the results was therefore proved. Keyword: Engine & Transmission System, Torsional Vibration, Wheeled V ehicle 中图分类号：TB533+.2 交通运输工具的振动与噪声 文献标识码：A 一、概述 车辆的动力传动系统是由一系列具有弹性和转动惯量的转动轴、齿轮和离合器等零部件组成。传动系统的前端通常是作为动力输入的发动机，中间是具有传递扭矩和变速功能的传动系，后端则是车辆的驱动部分。这些具有弹性和转动惯量的零部件形成了一个扭转振动系统，有着自己的固有振动特性。车辆在行驶过程中，发动机、传动件之间的冲击力、行驶阻力等的作用，会引发动力传动系统产生扭转振动，甚至出现扭转共振现象。动力传动系统扭转共振时会对激励产生放大作用，导致扭转振幅迅速增大，由此引起的动态应力往往要超出正常工作应力许多，从而大幅降低相关零件的疲劳寿命，严重影响到整个车辆的可靠性和使用寿命。 某四轮驱动特种车辆样车在试车过程中，其动力传动系统零部件多次发生故障，尤其是变速箱五档齿轮数次发生断齿。观察发现，断齿的左齿面（承载面）有明显的接触痕迹，右齿面（非承载面）接触痕迹不明显，断面也未出现疲劳断裂的迹象。如果此类故障与动力传动系统扭转共振有关，则必须对整个动力传动系统重新进行匹配；否则只需对故障件采取措施即可。为了找到发生故障的准确原因，我们在用自编的车辆动力传动系统扭振分析软件TVSIM(Torsional Vibration SIMulation)[1]分析计算各个档位扭转振动模态的同时，还对该动力传动系统进行了扭振测试试验，以进一步确认故障原因。